智能光电探测器线性测量系统的研究.doc

5智能光电探测器线性测量系统的研究谢印忠【1】【2】 张保洲【3】 （1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093； 2. 临沂师范学院 临沂 山东； 276005；3.北京师范大学天文系，北京100875）摘要：线性度是光电探测器性能的一个重要表征量，讨论了光电探头线性测量原理和方法，提出了基于双光源叠加法，利用积分球混光完成辐照度叠加，测量了超高亮LED随内部电流变化的光谱特性，测量结果证明辐照光源使用超高亮LED的可行性。设计中以计算机编程自动控制实现智能化和自动化完成光电探测器的线性测量为宗旨，对系统的各部分结构、原理、特点及创新性进行分析。测量系统主要由积分球、两路超高亮LED光源及数控电源、信号放大电路及计算机软件结果处理、显示等组成，讨论了测量系统的不确定度来源以及处理方法。设计完成后，利用其对一块硅光电探头进行多次线性测量，结果的重复精度为0.5以内，测量结果证明该系统设计思想独特，自动化程度和精度较高，可以作为光电探测器线性测量装置。关 键 词：光学测量；非线性；积分球；双光源叠加 中图分类号：TH741.4 文献标识码：BThe Development of Intelligent Measurement for Linearity of Photoelectric DetectorXIE Yin-zhong【1】【2】 ZHANG Bao-zhou【3】(1. Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai ,China 200093; 2. Linyi Normal University, Linyi city, Shandong 276005; 3 Department of Astronomy, Beijing Normal University, Beijing，China 100875)Abstract: Linearity is an important parameter of photoelectric detector. The principle of linearity measurement methods was discussed. Then an intelligent measurement system is designed for linearity of a photoelectric detector. The system is based on the method of two lights addition for irradiance and the principle of light blended in integral global. The photoelectric characteristic of supper brightness LED was measured. The result proved that the supper brightness LED is excellent used as light source. The course of measurement was auto-controlled by the computer. The theory and structure of the system was discussed in detail. It mainly consists of one special designed integral, two supper brightness LED as light sources with dual output program control DC power, circuit of the amplifier of the signal and computer with programmed soft. The measured nonlinearity was discussed and analyzed, Testified by measurement of a silicon photoelectric detector for many times. The repeated precision of measurement is 0.5%, proved the design of the instrument is novelty, intellect and perfect. This system can be used to measure the photoelectric characteristic of photoelectric detectors.Keywords: optical measurement; nonlinearity; integral global; two light sources added1 引言 对一个光电探测器或光电探测仪器而言,线性(从探测器输出的电压或电流大小与其接受到的光信号强度成正比【1】)是一个非常重要的指标。绝大多数光电探测仪器,如光谱辐射计、照度计都采用比例测量工作方式,即先用一个特性已知的标准光源对仪器进行标定,而后根据仪器对被探测目标响应与对标准光源响应的比率,确定被探测目标的辐射特性,这种测量是建立在仪器响应在整个测量范围内都呈线性这一前提下的。线性测量是光辐射度学研究和光电传感器性能评估不可缺少的环节之一。电信号的测量已经十分成熟和精密，例如直接利用Fluke8845A数字多用表【2】完成快速电流测量，量程为100uA时的分辨率为100pA，测量精度达0.05%，电流被高精度放大电路低噪声线性放大后的测量分辨率会进一步提高，所以非线性测量的工作要点是完成光辐照度线性变化。 对光电探测器感光面辐照度线性改变的最常见的和最基本的方法是根据平方反比定律在光轨上通过改变光源与探测器光敏面间的距离实现不同光强照射来测算探测器的线性度，然而一方面在一个6米长的光轨上基于平方反比定律实现的光强变化最多只有几十倍，另一方面，由于灯与探测器间距很大时，杂散光的影响将十分明显；间距太小则将导致平方反比定律失效，因此在大范围特别高灵敏度探测器的线性测量在光轨上实现起来很困难且精度难以保证。除距离平方反比法外,研究者们还提出了几种获得辐照度增加的方法，如滤光片或滤光片组法【3】、Beer衰减法【4】、偏振法【5】等，均因辅助量（如透过滤，偏振片间角度等等）测量引入的额外误差而受限【6】，目前最成熟的线性测试方法是双光源叠加法，具有高可靠性和较高精度，且光辐照度变化范围大为扩展。 本文通过研究线性测量系统测量方法,对双光源叠加法测量原理作了较深的理论实践分析，结合积分球的混光原理完成光电探头非线性因子测量,描述了测量方案和实际测量过程，对测量结果的非线性因子的不确定度以及整个测量系统的不确定度进行了分析。2 测量原理2.1 非线性及双光源叠加法探测器的线性与自身产生的光电流、入射光功率有关。多数探测器和测量系统都存在线性问题【7】,一般情况下对一个探测器或测量系统的定标只能在有限点进行,对于定标点以外的大部分测量区域只能靠探测器和测量系统的线性来推算。如果探测器接受的光辐射通量分别为0、i时，相应的输出电信号为I0、Ii则探测器的非线性为： （1） 上式中越趋近于零，探测器的线性就越好。在光轨上实现双光源辐照度叠加光路如图1所示： 图1、双光源叠加法实现辐照度叠加Fig.1 Principle of the addition for two light source on tracks 第一步：用挡屏挡住标准灯2，标准灯1在主光轨离探头距离较远处，它对待测探头的照度为E，记录探测器的输出电流为I1。第二步：挡住标准灯1，调整标准灯2在待测量探头处的照度，使探测器的输出电流等于I1 第三步：两标准灯同时照到探头上，完成辐照度倍加为2E，探头的输出电流或仪器的读数为I2。第四步：挡住标准灯2，移动标准灯1使探头的输出电流或仪器的读数为I2。挡住标准灯1，移动标准灯2使探头的输出电流或仪器的读数也为I2。移去挡屏,两标准灯同时照到探头得辐照度为4E，探头输出电流或仪器的读数I3。类似依次在探头上得到辐照度：E、2E、4E、8E、16E、32E，对应的电流或处理后的读数分别为：I1、I2、I3、I4、I5、I6，按公式（1）计算便可得到待测探头在相应辐照度范围的非线性度。双光源叠加法的可靠性和高精度表现在以下两点：一、对光源到测量点距离没有限制，解决了单纯利用平方反比定律时探测器上的光照度变化范围过小的限制，因为叠加法只要求倍率关系，并不要求知道光源在各点时的精确照度，光源在各点时与探测器之间的具体距离偏差并不影响测量结果。二、杂散光的影响，实际测量时只要能保证主光通道和辅助光通道间不互相干扰及外界杂散光的干扰就能保证测量的精度，对各自光通道自身的杂散光不作要求。虽然双光源叠加法具有高可靠性和高精度，但由于每一次光源叠加值的实现都要通过反复移动光轨上的光源，实际操作过程是很繁琐，且对设备条件要求也比较高，在实际应用中并不广泛。2.2 积分球积分球常用金属做成一个内部空心的球,球的内表面均匀喷涂一层具有朗伯漫射特性的材料，一束光进入积分球后,经多次漫反射,就形成一个理想的漫射源，这样就可以消除探测器件受光面的不均匀性带来的影响【8】。对理想积分球（对特定波长的光）设其反射率为,球内半径R,入射光通量经过无限次漫反射，叠加在壁上的照度为: （2）当存在入射窗和出射窗时，上式必须被校正【8】，设窗面积总和与积分球总的内反射表面积（包括窗面积）之比为f，得： （3）由式（2）、（3）知积分球壁的照度正比与光源的总的光通亮。 图2、用来辐照度叠加的积分球 Fig.2 The integral global for light addition以双光源叠加原理为基础，利用积分球的混光原理和计算机自动控制完成光电探测器线性自动测量，这样克服了传统光轨上双光源叠加方法的不足：一方面，用积分球代替光轨和辅助光轨完成辐照度叠加；另一方面，用可编程电源供电，计算机对光源及光电探测器输出进行控制和数据采集，实现快速自动测量。3 测量系统的结构与主要技术措施智能光探测器线性测量仪主要由叠加双光源的积分球、信号放大电路、数控直流电源、控制用计算机等组成，整个系统在编程软件控制下完成待测探测器输出电信号的自动读取、计算、并根据计算结果对光路进行调整，分析结果从屏幕输出，也可选择打印。如图3所示： 图3 智能测量系统结构图Fig.3 Configuration of the system积分球内直径等于100mm，光源光入射窗口和光出射窗口分别直径为6mm，各窗口的面积之和与积分球内壁总面积的比例在0.3%左右。内壁均匀喷涂硫酸钡作为漫反射层，两入射窗口和出射窗口之间相互垂直，如图2所示。这种设计使积分球内部不放置挡光屏光源的入射光线也不会直接照射到出射窗口，避免了在小型积分球内设计挡光屏给机械加工带来的困难。出射窗出射的光通量与入射窗入射到积分球内的光通量成正比例关系。光谱稳定性是测量结果准确性的重要因素，发光二极管的光谱与内部电流相关【9】，图4为系统所选用红色LED通过不同电流时的光谱辐照度特性，分别通过2.0、10.0、20.0mA的电流，使用OPT-2000 (a) 光谱辐照度变化特 (b) 光谱辐照度与峰值波长辐 照度比例变化特性 (a)The characteristic of spectrum irradiance (b) The proportion characteristic of spectrum with peak value irradiance 图4 通过不同电流时的LED光谱特性注：曲线1、2、3分别通过的电流为2mA、10mA、20mA Fig.4 The characteristic of LED with circuit Note: curve 1、2、3 are separate with 2mA、10mA、20mA型光谱光度计对其发出的光谱进行测量，发现所使用的超高亮度红色LED所发出的光谱在小电流（20mA）时稳定：主波长（647nm）附近能量占主导，波长范围在605678nm，光通量变化范围为02.5lm。通过不同电流时其他波长对峰值波长的辐照度比例基本相同。证明使用超高量度、高稳定的LED用改变电流来改变进入积分球内光通量的方法是完全可行的。根据不同测试对象可以选用不同光谱分布的高亮度、高稳定光源作为光源。LED的发光强度与电流有稳定的对应关系，即保证通过LED的电流稳定、可调到需要的量值，就可以得到稳定的光源。电源选用高性能可编程DC电源2400数控电源【10】（编程解析度电流为0.05uA，电流误差0.035+600pA，接收到输出命令后输出电压升至稳定值的99%所需时间小于90ms），可以和计算机通讯，接受可编程仪器标准命令（SPCI-Standard Commands for Programmable Instruments）控制完成全自动输出功能。 待测探测器的输出电流信号变化范围较大（电压一般在10-10到10-5A之间），除要求放大倍数外还要求能分几个量程测量以增大解析度，在自动转换量程时基点需要调零。实际设计中采取用两极放大解决上述问题。流压及量程转换采用斩波稳零集成运放ICL7650，以抑制在信号采集和换档时的零漂。转换开关CD4051在计算机命令下完成合适增益选择，使放大电路最终输出的电压被控制在数据采集卡的A/D转换器适当的工作范围之内。这样设计电路可以使探测器输出的信号被低噪音的放大110000倍。4测量与不确定度分析自动测量系统的软件采用VC+来编写。测量流程按双光路叠加原理和操作步骤，由软件可视化控制整个系统完成测量、读数；求平均值、均方差、归一化；获得线性系数并输出。测量界面如图5所示。测试系统自动完成对待测探测器的非线性测定，还可以对自身所带光源用标准探测器来标定，整个软件系统核心是数控电源的控制和数据采集子程序。图5可视化测量界面Fig.5 Visual interface of the measurement测量系统的不确定度【11】是由以下几个因素共同作用产生:1) 光源不稳定产生的不确定度,光源带来的不确定度主要是超高亮LED发光稳定性。选用2400高性能双输出双路可编程直流电源激光功率和稳定性的问题得到了有效解决，稳定在0.1%/h 范围内。2) 叠加光束为非干涉光源，在积分球内均匀叠加，探测器光敏面不会产生干涉,且均匀。 3) 对于杂散光的影响,首先积分球本身就是暗室, 只留有小的入射窗和出射窗小孔保证光的入射和出射以减小杂散光对测量的影响。对于温度、数据采集等误差,通过缩短测量的时间、降低测量不确定度。4) 测量本身的不确定度,根据(1) 式,使用国家计量技术规范JJF1059-1999 的“测量不确定度评定与表示”进行计算。5）探测器本身带来的不确定度主要是探测器响应度的变化, 主要受温度场变化的影响以及灵敏面不均匀的影响,这种因素主要影响探测器响应度的长期稳定性,短时间表现不明显【14】。测量数据均采取多次测量取均值的方法（公式4） （4）式中n 为测量次数, xi 为第i 次测量结果，不确定度在数值上等于均值的标准偏差（公式5），相对标准不确定度（公式6）: （5） （6）系统调试过程中计算机对数控电源发出信号后，延时500ms（等待超高量LED稳定），对待测探头输出电流采样200次按（4）式求出平均值，按（6）式得相对标准不确定度。单次不同光照下测量数据分析见表1，数控电源稳定输出时待测光电探头的输出电流不确定度小于0.1 %。 表1数控电源输出不同电流时的对应光电流不确定度Table 1 Uncertainty of linearity with deferent circuits LED电流(mA) 待测探头输出电流(uA) 不确定度(10-4) 1.0 1.2231 5.32.0 8.4937 3.2 5.0 52.684 2.410.0 132.35 4.120.0 719.26 3.7 设计完成后，对北京师范大学低能所研制的掩埋双p-n结光电探测元件【12】的p-n结的非线性多次测试，照度4个数量级（0100lx）内，线性为0.9973，重复精度在0.5以内，测量操作和结果见图5。 5 结论设计以方便使用和智能化为出发点，系统在放置好被测光电探头后，通过计算机的虚拟测控界面控制自动快速完成线性测量。以取代传统的双光源叠加人工测量，目前国内外该类智能化探测仪器尚未有先例报道。这个设计思想对光电探测器的其他性能指标的测量也有一定的启发性。智能光电探测器线性测量仪的研究是北京师范大学天文探测技术实验室规划子项目，同时受到国家“863”高技术发展计划（编号2002AA313120）的部分资助。 参考文献：1 郝允祥、陈遐举、张保洲. 光度学M. 北京：北京师范大学出版社.1988.2 Fluke 8845A/8846A 6.5位高精度数字多用表用户手册 OB/OL . Fluke Corporation. July 2006, Rev. 2, 6/08 (Simplified Chinese) /evtmanuals/884xa_umchi0200.pdf3 HAWES R C. Technique for measuring photometric accuracy J. Applied Optics, 1971, 10 (6) :1246 1253.4 Sloane H J. Gallaway W S. Spectrophotometric accuracy linearity and adherence to Beers law J. Applied Spectra, 1977, 31(1); 2531.5 BENNETT H E. Accurate method for detectin